瞬變電磁法在山西余吾煤礦水害因素識別的應用

白錦琳 宋嗣麒 郭曉東

（1.中國海洋大學，山東 青島 266100；2.山東省煤田地質局物探測量隊，山東 濟南 250104）

水害是煤礦安全開采的主要威脅之一，余吾煤礦礦區內水文地質條件較為復雜，一般煤礦水文地質勘查主要依靠水文鉆孔，但是水文鉆孔成本高，效率慢。通過瞬變電磁法與地質水文資料結合解釋的方法，可以劃分和識別煤礦含水層富水范圍和構造富水性，該方法效果好，速度快，成本低，對于指導采區布置工作面和礦井防治水工作具有重要的意義。

1 水文地質背景

本區地處太行山西麓沁水煤田東翼潞安礦區的西部，區內及其外圍廣為第四系黃土覆蓋。本次工作區地層由老到新有奧陶系中統峰峰組(Q2f)、石炭系中統本溪組(C2b)、石炭系上統太原組(C3t)、二疊系下統山西組(P1s)、二疊系下統下石盒子組(P1x)、二疊系上統上石盒子組(P2s)、二疊系上統石千峰組(P2sh)、第四系(Q) 。區內地表水系主要河流為絳河，為海河水系濁漳河的支流，由西向東橫穿本區中部，注入漳澤水庫，其流量為0.37～5.06m3/s。區內西北余吾鎮北側有交川河，流量為0.02～0.17m3/s，屬季節性小河。地下含水層由深到淺主要有6個層段，分別為中奧陶統峰峰組石灰巖巖溶裂隙含水層、上石炭統太原組含水層組（Ⅱ～Ⅴ）、二疊系下統山西組含水層組（Ⅵ～Ⅶ）、二疊系下統上、下石盒子組含水層組（Ⅷ）、基巖風化帶含水層（Ⅳ）、第四系孔隙含水層組（X）。

2 區地球物理特征及勘探方法

一般情況下，工作區內同時期沉積地層的巖礦物、巖性組合、巖層發育厚度等特征類似，在橫向上視電阻率差異變化較小。縱向上，各組地層由不同巖性組成，各層之間會顯示明顯的電阻率變化。當巖層發生變形、破碎等因素，引起裂隙構造發育或者灰巖地層中發育巖溶時，若巖層含水性差，則其導電性變差，局部電阻率值相對周圍巖層顯示較高阻值；若巖層含水較好，其導電性好，則會形成局部低電阻率異常。依據這個理論，通過探測巖層的視電阻率及其變化規律，可以分析巖層的富水性變化規律及構造含水性。工作區屬黃土丘陵地形，中部地形相對平坦，測區北部和南部地形較差，地表最高標高約+1088m，最低標高約+889m，相對高差199m。工作范圍內的村莊和建筑較多而密集，對瞬變電磁鋪框測量及直流電測深跑極放線帶來一定的困難，工作區地表電磁法勘探條件較差。但是工作區內深部含煤地層主要為石炭二疊系地層，煤層頂底板砂巖或奧陶系灰巖富水后，富水范圍和導水構造的電阻率會明顯降低；另奧陶系灰巖為視電阻率高阻的地層，與煤系地層的巖石電阻率也有明顯差異，因此工作區內地層具有良好的中深部電磁法勘探地質條件。本次工作區根據地質情況選擇瞬變電磁(TEM)勘探手段具有較好的經濟適用性，瞬變電磁法數據采集采用澳大利亞Alpha公司生產的TerraTEM瞬變電磁法儀。

3 已知資料分析對比

圖1為區內鉆孔附近瞬變電磁測深點曲線與鉆孔柱狀圖對比圖，鉆孔柱狀圖顯示第四系厚15m，3#煤埋深690m，15#煤埋深790m，奧陶系灰巖頂界面埋深約820m。圖中瞬變電磁測深曲線對于煤系地層中主要層位均具有較明顯的分層拐點，曲線對于第四系反應不明顯，曲線上段都為高阻，為瞬變電磁法盲區所致，中段200～700m明顯的低阻層，是二疊系泥、砂巖互層的電性反映；700～850m處上升幅度較緩平臺為石炭系的電性反映；曲線尾部上升斜率增大較為明顯，說明測深曲線已穿透煤系地層，進入下伏奧陶系灰巖地層，特征與已知地質資料吻合。

圖2為瞬變電磁法視電阻率擬斷面圖，根據已知資料對比及分析可知第一組電性層為二疊系上統上石盒子組和下石盒子組，其巖性包括粗砂巖、中-細粒砂巖、泥巖，這些巖層的視電阻率ρτ相對下伏地層巖性視電阻率較小，約為（60～120）Ωm；第二組電性層的響應為二疊系下統山西組地層、石炭系上統太原組和中統本溪組等含煤地層，視電阻率ρτ約為（120～230）Ωm；第三組電性層的響應是奧陶系灰巖地層，視電阻率均大于230Ωm。

圖1 瞬變電磁曲線與鉆孔對比圖

圖2 瞬變電磁法視電阻率擬斷面圖

4 水害因素識別

區內水文地質資料顯示，含煤地層中含水巖層一般由二疊系的碎屑巖、石炭系太原組的砂巖、灰巖組合而成，即由二疊系上統上石盒子組底部中、粗粒砂巖（K10）、下統下石盒子組底部石英砂巖（K8）、山西組底部石英砂巖（K7）及石炭系上統太原組石灰巖（K2、K3、K4、K5）組成。K2、K5灰巖巖溶裂隙較發育，其余灰巖巖溶裂隙發育差；K10砂巖為富水性中等的砂巖裂隙含水層，K7、K8砂巖層含水性較弱。一般砂巖、石灰巖在視電阻率剖面上呈相對高阻反映，在同一深度，構造裂隙發育的砂巖、石灰巖的含水性好，其視電阻率值低于構造裂隙不發育的砂巖、石灰巖，在視電阻率剖面上形成高阻中的相對低阻異常，根據含水層深度制作視電阻率平面圖，以此為理論依據，來尋找煤系地層巖層富含水異常區（見圖3）。勘探區內含水層較多，但相互之間都有隔水層存在，正常情況下并不連通。受斷裂構造和巖層裂隙的影響，含水層在有些部位存在水力連通。不同層位有的富水異常區上下有重疊，可解釋含水層富水異常區的上下有連通關系，即相鄰含水層同一平面位置存在富水異常區，那么它們之間可能存在水力連通。根據已知地質資料區內構造主要為斷層和陷落柱，區內斷層沒有發現含水構造，陷落柱為主要含水構造，在識別陷落柱含水情況時依據陷落柱在視電阻率擬斷面圖上的顯示，正常不含水陷落柱顯示為高阻，陷落柱部分地段含水后顯示為相對低阻。例如圖4，X25陷落柱在K5、K2、奧陶系灰巖含水層局部含水，分析認為該陷落柱在K5、K2和奧陶系灰巖層間導水性好。

圖3 視電阻率平面圖及綜合解釋成果圖

圖4 X25陷落柱視電阻率擬斷面圖及綜合成果圖

5 開采水害危險性評價

余吾煤礦煤層開采充水通道主要有：（1）頂板冒裂帶；（2）底板破壞產生的導水裂隙帶；（3）構造。根據測區內鉆孔資料及本次探測取得成果資料分析煤層開采充水水源主要為：3#煤回采時，其頂板砂巖、K8砂巖、K10砂巖為直接充水含水層，其底板下的K7砂巖含水層也為直接充水含水層。基巖分化帶和第四系砂層水由于二疊系內隔水層的阻擋一般不會成為礦井直接或間接充水含水層。9#煤開采時，K5含水層與其冒裂帶頂部間距約15m，可能成為間接充水含水層；K4、K3處于底板破壞裂隙帶內，為直接充水含水層。15#煤開采時，K2為直接充水含水層。

根據探測成果結合地質水文資料，3#煤開采危險性：充水含水層為K8、K10、K7，富水性較差，在構造分布較為密集區域、背斜軸部分布的巖層破碎帶、斷層、陷落柱部位可能存在較強富水區。開采前應對斷層、陷落柱留足防水煤柱或注漿加固。對瞬變電磁成果發現的富水區域，在掘進井下巷道或采面通過富水范圍之前進行井下探放水工作。9#煤開采危險性：直接充水含水層K4、K3，K5有可能成為間接充水含水層。三層含水層富水性都不均一。在其底板完整性受到破壞的地段，K2有突水危險性。15#煤開采危險性：全測區內均有底板突水危險性。

6 結論

（1）本次方法的應用，為余吾煤礦采區查明了開采3#煤層頂底板主要含水層（K10、K8、K7）的相對富水區及水力聯系，查明了9#煤和15#煤頂板主要含水層的含水區和水力聯系，查明區內主要斷層和陷落柱富水性。

（2）本次瞬變電磁法的應用，為同類地區查找煤礦水害因素識別提供可借鑒經驗，為煤礦安全開采和防治水工作提供指導。